PNAS：清华管吉松揭示学习记忆的神经机制

2014-02-27 佚名清华大学生命科学院

日前，清华大学生命科学学院管吉松研究组在《PNAS》杂志上首次报道了一种新的光记录方式，即通过双光子显微镜，记录神经元活动依赖的早期基因表达，记录并数字化大脑皮层内每个神经元的活动，为研究外界信息在皮层神经网络内的处理过程奠定了基础。运用此种方法，他们首次发现了在脑皮层的II层神经元中存在场景记忆存储印迹。谢红博士为本文的第一作者，管吉松博士为本文的通讯作者。图A，不同的场景记忆在同一个皮

日前，清华大学生命科学学院管吉松研究组在《PNAS》杂志上首次报道了一种新的光记录方式，即通过双光子显微镜，记录神经元活动依赖的早期基因表达，记录并数字化大脑皮层内每个神经元的活动，为研究外界信息在皮层神经网络内的处理过程奠定了基础。运用此种方法，他们首次发现了在脑皮层的II层神经元中存在场景记忆存储印迹。谢红博士为本文的第一作者，管吉松博士为本文的通讯作者。

图A，不同的场景记忆在同一个皮层区域产生的活动差异，红绿蓝三种不同颜色分别标记了神经元在不同场景记忆中的活动及其强度。

图B，数字化显示大脑皮层内神经元活动强度的空间分布。

当大脑接受到外界信息时会产生记忆，从而趋利避害，为个体生存与发展提供信息支持。有关学习记忆的研究是神经生物学与认知研究的核心与热点。然而，由于大脑皮层内神经元数量巨大，每1mm3 内有超过105个神经元和108个突触连接，目前还没有任何手段同时监测到如此大量的神经元活动。由于研究手段的缺乏，皮层中特定记忆的形成原理、储存地点与提取方式等核心问题都没有得到揭示。

为了寻找记忆的储存地点，管吉松研究组开创了一种大规模神经元活动监测方法，即利用生物体内一种极早基因表达具有神经元活动依赖性的特点，建立了一种通过转基因小鼠绿色荧光蛋白（EGFP)来报告极早反应基因的表达强度，从而记录神经元的活动强度及活动模式。该研究组采用双光子显微镜，监测活体动物的脑皮层内单个神经元内的早期基因表达量，从而在脑皮层中追踪2x105 个神经元及每个神经元的平均活动强度随学习记忆发生的变化。通过初步研究，首次发现了特异的场景记忆信息被非常稀疏地存储在皮层II层神经元中（图A），此发现为进一步研究学习记忆在皮层中形成与巩固的神经生物学原理奠定了基础。由于此方法能够非常准确地定量比较不同神经元之间（图B）以及相同神经元不同场景下（图A）的活动强弱，因此，该技术为研究在大量皮层神经元组成的神经网络中多细胞相互作用、单细胞演化等过程，提供了确实可行的方法，并部分解决了实时监测动物行为活动相关脑皮层内神经活动的技术难题，提供了精确测量神经元网络水平活动的有效工具，使得探索神经元间相互作用在学习记忆过程中的改变成为可能。此项研究为生物信息学，计算神经生物学提供了大规模网络活动的生物学数据，为揭示大脑的奥秘提供了非常有用的工具。

管吉松博士2001年毕业于南京大学，2006年在中科院上海神经科学研究所取得博士学位。2006－2010年在美国麻省理工学院从事学习记忆方面研究工作，在学习记忆领域发现了表观遗传调控与学习记忆的密切关系。2011年受聘为清华大学生命科学学院特别研究员、博士生导师；同年首批入选清华-北大生命科学联合中心研究员。其实验室目前主要以分子生物学结合计算神经生物学及活体影像学为手段，研究长期记忆在皮层神经环路中的形成，储存，提取及其生物学调节机制。自2003年以来在包含《Nature》《Cell》《Neuron》《PNAS》等一流科技杂志相继发表SCI论文10余篇，论文他引累计达1000余次。该研究受科技部重大基础研究项目与国家自然科学基金委支持，由管吉松博士研究组独立完成，第一完成人为该课题组谢红博士。

原始出处：

Hong Xie, Yu Liu, Youzhi Zhu, Xinlu Ding, Yuhao Yang, and Ji-Song Guan. In vivo imaging of immediate early gene expression reveals layer-specific memory traces inthe mammalian brain. PNAS, February 3, 2014; doi:10.1073/pnas.1316808111

作者：佚名

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